Eine allgemeine Methode zur Messung der Licht-Wärme-Umwandlungseffizienz fester Materialien

Die Umwandlung von Licht in Wärme wurde aufgrund der möglichen Anwendungen, einschließlich der photothermischen Therapie und der Gewinnung von Solarenergie, intensiv untersucht. Der Licht-Wärme-Umwandlungswirkungsgrad (LHCE) ist die wichtigste Gütezahl für die Bewertung photothermischer Materialien wie organische Moleküle, kohlenstoffbasierte Materialien und Nanokristalle.

Basierend auf der Wärmebilanzgleichung wurden einige Methoden erfolgreich entwickelt, um den LHCE kolloidaler Nanokristalllösungen zu messen. Obwohl diese Methoden von anderen Forschern weiter verbessert wurden, ist ihre Genauigkeit aufgrund der Überschätzung des Massenterms des Messsystems sowie der ungenauen Anpassung des Wärmeableitungskoeffizienten immer noch umstritten. Darüber hinaus sind die meisten der beschriebenen Methoden auf kolloidale Lösungen beschränkt.

In einem neuen Artikel veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und AnwendungenKai Gu und Haizheng Zhong vom Beijing Institute of Technology haben eine allgemeine Methode zur Messung des LHCE fester Materialien entwickelt. Sie schlagen eine photothermische und elektrothermische Äquivalenzmethode (PEE) vor, die den Lasererwärmungsprozess mit einem elektrischen Erhitzungsprozess simuliert.

Bei der elektrothermischen Messung kann der Wärmeableitungskoeffizient der Probe bei bekannter elektrischer Leistung durch eine lineare Anpassung im thermischen Gleichgewicht abgeleitet werden. Bei der photothermischen Messung wird die maximale Temperaturänderung der Probe unter Lasererwärmung überwacht, um den LHCE zu berechnen. In dieser Studie untersuchen die Forscher die Vielseitigkeit der PEE-Methode für verschiedene organische und anorganische photothermische Materialien, darunter unter anderem Au-Nanostäbe, Graphen und PbSe-Nanokristalle.

Darüber hinaus diskutieren die Forscher den Fehler und die Zuverlässigkeit der PEE-Methode sowie Abweichungen von Annahmen, um die Vorteile der PEE-Methode aufzuzeigen.

Die PEE-Methode besteht aus zwei Schritten: der elektrothermischen Messung (Modul I) und der photothermischen Messung (Modul II). Die elektrothermische Messung im Rahmen der Studie wurde durch die Bestimmung des Temperaturanstiegs der Probe an einem Widerstand mithilfe einer Thermografiekamera (TGC) durchgeführt. In ähnlicher Weise wurde eine photothermische Messung durchgeführt, indem der Temperaturanstieg der Probe unter Lasererwärmung bestimmt wurde.

Durch Auftragen der Kurve der Temperaturentwicklung über die Zeit kann die maximale Temperaturänderung durch Überwachung der Durchschnittstemperatur mithilfe von TGC ermittelt werden. Der Wärmeableitungskoeffizient der Probe kann durch lineare Anpassung der Diagramme der maximalen Temperaturänderung und der Eingangsleistung der elektrischen Heizung abgeleitet werden.

Unter Berücksichtigung der Lichtabsorption und des Wärmeableitungskoeffizienten kann der LHCE der Probe aus der Wärmebilanzgleichung abgeleitet werden. Um die Anwendbarkeit der PEE-Methode zu demonstrieren, haben die Forscher den LHCE von Au-Nanostäben, PbSe-Nanokristallen, Cu2Se-Nanokristallen, mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCN), Graphenoxid (GO), Graphen und Polyanilin (PANI) gemessen. Einzelheiten zur Fehler- und Annahmeanalyse finden Sie im Artikel.

Das Forschungsteam hat eine robuste und zuverlässige Methode zur Messung des LHCE fester Materialien entwickelt, die das Potenzial hat, die Grundlagenforschung fortschrittlicher photothermischer Materialien voranzutreiben.